一種氟碳鈰礦捕收劑的設(shè)計(jì)篩選及浮選性能研究

吳桂葉，張 杰，李松清，張行榮，譚 鑫，鄭桂兵

（北京礦冶研究總院礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102600）

目前，已發(fā)現(xiàn)的稀土礦物多達(dá)250多種。我國(guó)稀土資源尤其豐富，已探明儲(chǔ)量約占世界的80%，其中儲(chǔ)量最豐富為氟碳鈰礦。氟碳鈰礦是一類氟碳酸鹽礦物，主要以輕稀土為主，化學(xué)式為CeCO3F。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，工業(yè)需求也日益增加，稀土礦物的開發(fā)和利用日益引起人們重視。稀土分選技術(shù)的發(fā)展往往與稀土浮選藥劑的發(fā)展密切相關(guān)。由于稀土礦物難選的特點(diǎn)對(duì)浮選藥劑有了更高的要求，第一代、第二代捕收劑無(wú)法滿足稀土礦物浮選分離要求，螯合捕收劑因?yàn)槠洫?dú)特的作用機(jī)理，具有選擇性高等特點(diǎn)，受到研究者的親睞［1］。螯合捕收劑是指能夠與金屬離子形成環(huán)狀絡(luò)合物的一類浮選藥劑［2］。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外選礦藥劑研究者針對(duì)稀土浮選藥劑的選擇性、捕收能力做了大量的研究工作，開發(fā)或篩選出多種不同類型的浮選藥劑，如含氮浮選劑、含磷浮選劑和羧酸類浮選劑等，其中有些藥劑已在稀土浮選中應(yīng)用［3－6］。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)（CAMD）技術(shù)逐漸被引入到浮選藥劑分子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并起到重要的指導(dǎo)作用［7－8］。本研究針對(duì)某稀土氟碳鈰礦物，借助于CAMD技術(shù)研發(fā)制備捕收劑BK415，并對(duì)比了鄰苯二甲酸、苯甲羥肟酸、水楊羥肟酸、59羥肟酸、H205等幾種捕收劑的浮選性能。研究結(jié)果表明，BK415浮選氟碳鈰礦效果好，鈰回收率高，精礦品位高，是一種優(yōu)良的氟碳鈰礦捕收劑。

1 試驗(yàn)

1.1 礦樣

試驗(yàn)礦樣是由熱液作用形成的碳酸巖礦床，屬于含稀土的正長(zhǎng)巖碳酸巖型礦床，含礦雜巖體由正長(zhǎng)巖和碳酸巖類組成。主要有價(jià)礦物稀土多成浸染狀、細(xì)脈浸染狀分布于方解石、長(zhǎng)石、石英等礦物顆粒間或裂隙中。有價(jià)礦物粒度相差懸殊，分布不均勻。礦物間互相交織嵌生，或連生，或互為包體。該礦石中主要脈石礦物為長(zhǎng)石、石英、方解石、鐵白云石及螢石等。原礦化學(xué)分析結(jié)果見表1。

1.2 藥劑

試驗(yàn)所用藥劑主要包括鄰苯二甲酸、苯甲羥肟酸、水楊羥肟酸、3－羥基－2－萘甲羥肟酸（H205）、BK415、苯乙烯膦酸等。

1.3 分子建模方法

本研究使用MS（Material Studio）－Dmol3模塊進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算優(yōu)化礦物表面和藥劑分子結(jié)構(gòu)；利用MS－Forcite模塊進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬和計(jì)算。

2 結(jié)果及討論

2.1 氟碳鈰礦捕收劑分子的設(shè)計(jì)篩選

以相互作用能作為藥劑與礦物相互作用強(qiáng)度的衡量指標(biāo)［9］。相互作用能越負(fù)，藥劑和礦物表面相互作用越強(qiáng)，吸附越容易發(fā)生。

由MS軟件計(jì)算的幾種捕收劑、氟碳鈰礦能量、絡(luò)合物能量以及氟碳鈰礦與藥劑的相互作用能（相互作用能＝絡(luò)合物能量－（藥劑能量＋礦物能量））見表2。

由表2可以看出，相互作用能的強(qiáng)弱順序?yàn)锽K415（－1655.58）＞H205（－995.58）＞苯乙烯膦酸（－946.82）＞鄰苯二甲酸（－946.46）＞水楊羥肟酸（－727.05）＞苯甲羥肟酸（－569.82）。BK415的相互作用能最負(fù)，說(shuō)明其與氟碳鈰礦的結(jié)合能力較強(qiáng)，很有可能成為氟碳鈰礦高效捕收劑。實(shí)驗(yàn)室制備合成BK415進(jìn)行浮選試驗(yàn)驗(yàn)證，并與稀土捕收劑H205進(jìn)行對(duì)比。

表1 原礦化學(xué)多元素分析結(jié)果/%

表2 捕收劑、氟碳鈰礦及其相互作用能量/（kJ/mol）

2.2 捕收性能對(duì)比研究

以稀土礦原礦為給礦，－74μm含量90%，以水玻璃為調(diào)整劑，2號(hào)油為起泡劑，采用一次粗選，進(jìn)行了捕收劑種類試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 捕收劑種類試驗(yàn)浮選流程

由表3可以看出，經(jīng)過(guò)一次粗選之后，鄰苯二甲酸與苯乙烯膦酸的精礦品位、回收率都明顯低于羥肟酸類。分析其原因是由于鄰苯二甲酸與苯乙烯膦酸的適用條件為4～5，但是本礦樣為碳酸鹽型礦物，脈石礦物主要包含方解石、白云石，不利于用酸調(diào)節(jié)pH；而羥肟酸的適用條件為弱堿性，滿足這一要求。分析幾種羥肟酸可以看出，BK415與H205的精礦品位和回收率都較高，進(jìn)一步研究pH對(duì)其浮選性能的影響。

以稀土礦原礦為給礦，－74μm含量90%，捕收劑用量1000g/t，以碳酸鈉為pH調(diào)整劑，采用一次粗選，進(jìn)行pH試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖2，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看到，在調(diào)整劑碳酸鈉用量為800g/t時(shí)，BK415與H205均達(dá)到最佳的浮選條件。用量相等條件下，經(jīng)過(guò)一次粗選，BK415浮選氟碳鈰礦精礦品位與H205相當(dāng)?shù)臈l件下，回收率達(dá)到66.18%，明顯高于H205的浮選回收率（36.09%）。這與前期CAMD進(jìn)行分子模擬的結(jié)果相一致，也驗(yàn)證了CADM技術(shù)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)篩選的準(zhǔn)確性。

表3 浮選性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果/%

圖2 pH試驗(yàn)浮選流程

3 結(jié)語(yǔ)

借助CAMD技術(shù)設(shè)計(jì)合成了捕收劑BK415，用其選別氟碳鈰礦，給礦品位0.27，經(jīng)過(guò)一次粗選獲得粗選精礦品位1.02，回收率66.18%，在保持品位不變的情況下，回收率高于稀土捕收劑H205，是一種很有前途的稀土捕收劑。

表4 碳酸鈉用量試驗(yàn)結(jié)果/%

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